news 2026/6/23 10:39:14

[STM32F1] 【每周分享】以stm32f103为例谈谈tinyusb的性能测试与优化

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张小明

前端开发工程师

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[STM32F1] 【每周分享】以stm32f103为例谈谈tinyusb的性能测试与优化

tinyusb是一款MIT协议开源的跨平台USB host/device协议栈，专为嵌入式系统设计，各种常见的usb class都有实现，常见的或不常见的usb ip都有支持，比如像dwc2、musb、chipidea、stm32 fsdev等。更为友好的是它自带了大量的测试样例，也自带了各种常见MCU开发板的移植。当下支持usb device的MCU很常见，所以tinyusb在这些MCU上应用很广泛，由此一个常见的话题是如何评价目标MCU tinyusb的性能，在获得性能数据后如何提升性能。

一个比较好的测试场景是usb cdc loopback设备，所谓loopback就是把收到的数据再发回去，然后上位机通过c或者python写的程序与下位机的cdc交互，测量读写一大块数据的时间从而获得性能数据。此方法优点是：usb cdc设备可通用操作系统usb cdc驱动，所以我们不用再实现上位机操作系统下的驱动;另usb cdc是bulk传输，在usb设备无其他端点时，可以简单认为测得的cdc性能数据即MCU的usb性能数据。

测试用例usb cdc loopback的实现
如上所述，tinyusb自带大量的测试样例，我们通常不会从头开始写，而是基于测试样例改。tinyusb在examples/device/cdc_dual_ports/有一个双cdc端口的实现例子，原来的实现是把usb cdc端口收到的数据写到uart中去，为实现测试性能的usb cdc loopback, 笔者将其中的cdc_task函数修改如下：

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  1. staticvoidcdc_task(void) {
  2. for(uint8_titf =0; itf < CFG_TUD_CDC; itf++) {
  3. // connected() check for DTR bit
  4. // Most but not all terminal client set this when making connection
  5. // if ( tud_cdc_n_connected(itf) )
  6. {
  7. if(tud_cdc_n_available(itf)) {
  8. uint8_tbuf[64];
  9. uint32_tcount = tud_cdc_n_read(itf, buf,sizeof(buf));
  10. // echo back
  11. tud_cdc_n_write(itf, buf, count);
  12. }
  13. }
  14. }
  15. }




目标MCU和开发板
笔者选中基于STM32F103C8T6的小蓝板，板子非常流行且价格便宜，tinyusb也有现成的移植，hw/bsp/stm32f1/boards/stm32f103_bluepill

编译小蓝板固件和烧录

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  1. cdexamples/device/cdc_dual_ports
  2. makeBOARD=stm32f103_bluepill


编译出的固件在_build/stm32f103_bluepill/cdc_dual_ports.bin，将其烧录到小蓝板即可，比如笔者使用openocd烧录

复制
  1. openocd-f interface/stlink.cfg -f target/stm32f1x.cfg -c"program _build/stm32f103_bluepill/cdc_dual_ports.bin verify reset exit 0x8000000"

openocd烧录固件的截图：



烧录完毕后板子自动重启，用usb线缆连接PC机与板子usb口，PC linux dmesg信息如下:



可以看到基于tinyusb的cdc acm设备已经被PC识别，接下来需要来个性能测试的上位机，为简单起见，直接python脚本吧。

上位机测试python程序
笔者使用的python程序代码如下：

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  1. #!/usr/bin/python3
  2. importsys
  3. importserial
  4. fromtimeimportperf_counter
  5. defformat_bytes(size):
  6. B = float(size)
  7. KB = float(1024)
  8. MB = float(KB **2)# 1,048,576
  9. ifB < KB:
  10. return'{0} {1}'.format(B,'B')
  11. elifKB <= B < MB:
  12. return'{0:.2f} KB'.format(B/KB)
  13. else:
  14. return'{0:.2f} MB'.format(B/MB)
  15. defmain():
  16. iflen(sys.argv) !=2:
  17. print("No port name specified")
  18. exit()
  19. ser = serial.Serial(sys.argv[1], baudrate=115200)
  20. data = bytes()
  21. foriinrange(4096):
  22. data = data + bytes(range(256))
  23. print("Testing port", sys.argv[1])
  24. t_start = perf_counter()
  25. ser.write(data)
  26. t_stop = perf_counter()
  27. print("Throughput:", format_bytes(4096*256/ (t_stop - t_start)) +"/s")
  28. if__name__ =="__main__":
  29. main()


测得的性能数据：




性能数据分析
这个数据可以算比较差的。STM32F103的usb特征是full speed usb device，理论速率12Mbps，考虑到协议负载等，理论上的传输性能大概在1MB/s上下。

性能优化措施
据笔者对于tinyusb源码分析发现tinyusb默认设置是比较保守的，追求资源占用最少。例如：默认编译
优化选项是”-Os“而非常见的"-O2"或"-O3", 且各buf size也是设置最小的。笔者在STM32F103平台采取
性能优化措施如下：

去掉cdc dual port中的一个
笔者只用一个cdc port,故而删除dual port中一个，以节省资源

编译”-Os“改成”-O2“

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  1. diff --git a/examples/build_system/make/toolchain/gcc_common.mk b/examples/build_system/make/toolchain/gcc_common.mk
  2. index42fd01183..9364177a0100644
  3. --- a/examples/build_system/make/toolchain/gcc_common.mk
  4. +++ b/examples/build_system/make/toolchain/gcc_common.mk
  5. @@ -39,7+39,7@@ CFLAGS_CLANG += \
  6. # -Wconversion
  7. # Size Optimization as default
  8. -CFLAGS_OPTIMIZED ?= -Os
  9. +CFLAGS_OPTIMIZED ?= -O2
  10. # Debugging/Optimization
  11. ifeq ($(DEBUG),1)



增大CFG_TUD_CDC_EP_BUFSIZE与CFG_TUD_CDC_RX/TX_BUFSIZE

复制
  1. --- a/examples/device/cdc_dual_ports/src/tusb_config.h
  2. +++ b/examples/device/cdc_dual_ports/src/tusb_config.h
  3. @@-91,7+91,7@@
  4. #endif
  5. //------------- CLASS -------------//
  6. -#define CFG_TUD_CDC 2
  7. +#define CFG_TUD_CDC 1
  8. #define CFG_TUD_MSC 0
  9. #define CFG_TUD_HID 0
  10. #define CFG_TUD_MIDI 0
  11. @@-100,11+100,11@@
  12. #define CFG_TUD_CDC_NOTIFY 1// Enable use of notification endpoint
  13. // CDC FIFO size of TX and RX
  14. -#define CFG_TUD_CDC_RX_BUFSIZE (TUD_OPT_HIGH_SPEED ? 512 : 64)
  15. -#define CFG_TUD_CDC_TX_BUFSIZE (TUD_OPT_HIGH_SPEED ? 512 : 64)
  16. +#define CFG_TUD_CDC_RX_BUFSIZE 4096
  17. +#define CFG_TUD_CDC_TX_BUFSIZE 4096
  18. // CDC Endpoint transfer buffer size, more is faster
  19. -#define CFG_TUD_CDC_EP_BUFSIZE (TUD_OPT_HIGH_SPEED ? 512 : 64)
  20. +#define CFG_TUD_CDC_EP_BUFSIZE 4096




再次编译烧录后性能测试如下



可以看到经笔者优化后，usb cdc基本达到期望的性能。

。
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作者：xhackerustc
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